太阳能电池续流储能间歇式供电系统实验研究

栾 爽，田小建

（吉林大学 电子科学与工程学院，吉林 长春 130012）

随着科学技术的飞速发展，越来越多的便携式电子设备问世，成为人们工作、生活和娱乐中不可缺少的设备，但是，当这些电子设备的电池电量用完之后，就需要使用充电器对其进行充电，然而频繁的插拔充电器不但不方便，而且容易损坏设备。这些便携式电子设备一般都采用电池作为储能单元，但电池的使用寿命有限，所以这些电子设备往往需要不定期地更换电池。在提倡低碳生活的今天，如果这些设备能够采用超级电容来储能供电，既绿色环保，又携带轻便，这样不仅可以方便人们的生活，而且还可以节约大量的资源。

1 太阳能续流供电系统设计

1.1 系统组成

在本设计中，太阳能续流供电系统由六个部分组成：太阳能电池板、充电稳压电路、超级电容、升压电路、控制电路、LED，其工作原理如图1所示。

图1 太阳能续流供电原理框图Fig.1 Block diagram of solar energy stream power supply principle

充电稳压电路主要实现太阳能电池板对超级电容进行充电，同时控制电容两端的电压，防止过充以保护超级电容。

升压电路的作用是给整个后续电路提供一个稳定的电压，用于驱动负载LED，控制电路正常工作。

控制电路通过比较超级电容电压与设定的基准电压，从而判断超级电容是处于充电状态还是放电状态，以此来实现自动控制。

1.2 太阳能电池板

1.2.1 太阳能电池等效电路

太阳能电池板相当于具有与受光面平行的极薄PN结的大面积等效二极管，因此可以假设太阳能电池板为一个二极管与太阳光电流发生源并联的等效电路。但由于材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免地要引入附加电阻，流经负载的电流经过它们时必然引起损耗。在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻Rs和并联电阻Rsh以及PN结电容Cj来表示，形成一个较为接近实际的简化等效电路，如图2所示[3]。

图2 太阳能电池二极管等效电路Fig.2 The solar cell diode equivalent circuit

在恒定光照下，对于一个处于工作状态的太阳能电池，其光电流IL不随工作状态而变化，在等效电路中可将其看作是恒流源，光电流一部分流经负载，在负载两端建立端电压V，反过来它又正偏于PN结，引起一股与光电流方向相反的暗电流Id。通常情况下，Cj对I的影响很小，可忽略，则单元太阳能电池的 I－V方程为[3]：

式中：IL为光作用下产生的电流，IO为二极管未被光照射时的反向饱和电流；V为负载端电压；k为波耳兹曼常数；Rs为串联电阻；Tc为太阳能电池温度；A为二极管理想因子；q为电子电荷；理想光伏电池Rsh的很大，可近似为无穷大，因此在一般性的分析中，这一项通常可以忽略。则方程简化为[3]：

这样就得到了太阳能电池的单指数模型。太阳能电池模型通常要求供应商提供几个重要技术参数，忽略一些次要因素的影响，针对不同的硅太阳能电池，只需厂家提供标准测试条件下太阳能电池板最大功率点的电流和电压、太阳能电池短路电流和开路电压，就能在一定的精度下模拟太阳能板的特性。

1.2.2 太阳能电池的容量

若负载消耗功率用WR表示，每天工作时间用h1表示，太阳能电池的功率用Ws表示，太阳能电池的效率用η表示，每天日照工作时间用h2表示，则有：

根据式（3）可计算所需太阳能电池板的功率为：

为满足装置的储能要求，太阳能电池板的功率要在满足等于WS的前提下尽量大一些。

1.3 超级电容的等效电路

超级电容的等效电路如图3所示，由理想电容元件并联绝缘电阻Rep，串联电阻Res组成。Rep反应超级电容总的漏电情况，称为漏电电阻，Res主要由电极物质内阻、溶液电阻和接触电阻组成，称为等效串联内阻。

图3 超级电容等效电路模型Fig.3 Model the super capacitor equivalent circuit

1.3.1 等效串联内阻

等效串联内阻Res要求越小越好。内阻越小，放电效率越高。如果内阻过高，不仅导致放电效率下降而且大电流放电时会造成热量累积，温度升高，电极材料活性开始衰弱，会使超级电容的寿命降低。一般要求内阻在毫欧级以下，本文采用的超级电容Res为35 mΩ。

1.3.2 漏电流

漏电流是在充放电过程中，双电层离子由于受到电极上异性电荷的静电吸引力和电解液中溶液离子浓度梯度造成的本体迁移力的共同作用而产生的。温度是一个影响漏电流的重要因素，温度升高，漏电加剧。

漏电流与电容端电压有关，对电容充电时，由于电荷的均化需要一定的时间，电极两端产生电荷积累，形成电荷浓度差，使带电粒子受到向溶液本体迁移的，当电容端电压升高时，电荷浓度差增大，带电粒子有向溶液移动的趋势，漏电流增大。本文采用的超级电容最大漏电流约为40 μA。

1.3.3 自放电

充电停止后，当外界没有电磁场作用于电容器时，扩散层中离子仍继续向溶液本体迁移，同时紧密层离子脱离出来进入扩散层，并进一步迁移到溶液本体,，这就形成了电容器的自放电。

超级电容与其它的储能装置一样，在断路的任何时候都会有能量的消耗，即使将其放电至最低电压，开路端的电压值也会极缓慢的变化，我们考虑电容在充满电荷后断路静置时开路电压值的变化，以分析其自放电的规律。

自放电是超级电容电压保持能力重要影响因素，图4给出了2.7 V10 F超级电容的自放电曲线。将2.7 V10 F超级电容充满电后，即电容两端电压为2.7 V时，停止充电，并用万用表观察超级电容两端的电压值，实验中，每隔1 min记录一次电压数据，其中横坐标为时间，单位为小时，纵坐标为超级电容上的电压值，单位为V。

图4 2.7 V10 F电容漏电电压曲线图Fig.4 Leakage voltage curve of 2.7 V10 F capacitor

从图4中可以看出在自放电初期电容电压下降较快，越往后越慢，超级电容在200 h时电压保持在 2.1 V，可以看出200 h后自放电的现象就微乎其微了。

1.3.4 超级电容选取原则

若负载消耗功率用WR表示，每天工作时间用h1表示,则负载消耗电能为:

太阳能电池板输出的电压用U表示，则太阳能电池板能提供电量为:

超级电容单体工作电压范围为：Umin～Umax

设单体电容量为C，则有：

则

（8）式电容的最小容值，考虑到后续电路耗能问题，实际应用时电容要选择大于C的超级电容。

1.4 太阳能续流供电系统电路

太阳能续流供电系统电路如图5所示。其中，肖特基二极管D1用来防止在光线较弱时超级电容通过太阳能电池放电，稳压管DZ用来限制电容量两端的最高电压；CE8301是稳压模块，由超级电容提供电压输入，稳定输出5 V电压；OP747设计成迟滞比较器电路，电路的输入电压由超级电容提供，当电压上升到2.4 V时，输出高电平，驱动控制负载的三极管导通，点亮发光二极管，此时超级电容输出电流为负载供电，电容两端电压逐渐下降，当下降到1.4 V时，OP747输出低电平，三极管截止，发光二极管灯灭，此时，太阳能给超级电容充电，超级电容储存能量，直至超级电容两端电压上升到2.4 V时，重复上述过程，实现自动控制。

图5 太阳能续流供电电路总图Fig.5 General solar energy steam power supply circuit

2 太阳能续流供电实验验证

2.1 太阳能电池板的选择

由于太阳能电池板输出能量受光照，温度等因素影响，若太阳能能量收集实验到户外去做，由于户外的环境条件不确定，会造成测量数据不真实，所以本文对太阳能能量收集实验在室内进行测试。

太阳光模拟光源选择卤钨灯，因为其具有较宽且连续的光谱范围，覆盖紫外光至红外光，是比较理想的模拟太阳能光源。

负载电路部分消耗功率为W=5 V×4 mA=20 mW，每天工作时间为3 h，太阳能电池的功率为WS，太阳能电池的效率为 η=15%，每天日照时间为 10 h，根据式（9）可得，太阳能电池的功率为：

本文选择了一片10 cm×6 cm的单晶硅太阳能光电板，在距卤钨灯42 cm，右偏 15°，光强：30000LUX，室温 25℃情况下测得：

太阳能电池板开路电压：5 V，短路电流：16 mA，最大输出功率：60 mW。

2.2 超级电容的选择

太阳能电池板输出的电压为U=5 V，则太阳能电池板能提供容量为:

超级电容单体工作电压范围为：0.9～2.7 V，其最小容量为 4 mA·h，则有：

这个是电容的最小电容，考虑到后续电路耗能问题，选择了10 F的超级电容。

2.3 续流实验

在距卤钨灯 42 cm，右偏 15°，光强：30000LUX，太阳能：室温25°情况下：太阳能电池板给2.7 V10 F超级电容充电，大约21 min可以将超级电容充至2.4 V；太阳能电池板继续给超级电容供电，在光线弱时，太阳能给超级电容充电电流小于负载LED和后续电路消耗电流，电容两端电压缓慢下降，可以点亮工作电流为4 mA的LED大约18 min；当超级电容两端电压下降到1.4V时，控制电路自动将负载断开。再经过大约23 min又可将超级电容充至2.4 V，重复上述过程，实现自动控制，第一次充电到第二次充电完成，大约需要60 min。

在没有光照时，主要依靠超级电容存储的能量为后续电路和负载供电，可以点亮工作电流为4 mA的LED大约5 min。

能耗分析及改进：

太阳能输出功率大约为40 mW，稳压电路耗能5 mW，控制电路耗能8 mW，过充电路、超级电容共消耗了7 mW，其中，主要是过充电路在消耗能量，在充电过程中电流可到十几毫安，而超级电容最大漏电电流为40 μA，所以在本系统中，忽略了超级电容的漏电流的影响，负载耗能20 mW。

若想提高稳压模块效率可改进成开关电源来实现稳压功能。

控制电路是用集成运放实现的，耗能比分立元件大些，若控制电路用分立元件实现，可以减小能耗。

3 结束语

本文利用太阳能电池板将微弱的太阳能转化为电能，存储在超级电容中，以供负载间歇使用，通过分析验证了续流系统的可行性。在实际应用中，可以根据负载的需要选择太阳能电池板和超级电容，本系统主要应用在间歇式供电场合，具有一定的通用性，稍作改进就可以实际应用在楼道灯、应急灯、手机充电器等场合，实现了持续收集能量、间歇式供电的目标。

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